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麻省理工学院的工程师们将目光投向全固态锂电池

麻省理工学院的工程师们将目光投向全固态锂电池

发布时间:2018-05-15    浏览量:12

麻省理工学院的团队使用专门的设备进行了测试,在这些测试中他们使用金字塔尖探针缩进了一块硫化物基材料的表面。围绕产生的压痕(在中心看到),材料中形成裂纹(由箭头指示),揭示其机械性能的细节。

em麻省理工学院的工程师团队首次探测硫化物固体电解质材料的机械性能,以确定其纳入电池时的机械性能。 / em

大多数电池由两个固体电化学活性层组成,称为电极,由聚合物膜隔开,并注入液体或凝胶电解质。但是最近的研究已经探索了全固态电池的可能性,其中液体(和可能易燃的)电解质将被固体电解质所取代,其可以提高电池的能量密度和安全性。

这一新发现本周在MIT的研究生Frank McGrogan和Tushar Swamy的论文“Advanced Energy Materials / em”上发表。 Krystyn Van Vliet,Michael(1949)和Sonja Koerner材料科学与工程教授;京瓷材料科学与工程教授蒋尚明;另外还有四名学生,其中包括麻省理工学院材料科学与工程中心及其材料处理中心管理的国家科学基金会本科生研究经历(REU)项目的本科生参与者。

锂离子电池已经提供了一种轻量级的能量存储解决方案,使得当今许多高科技设备(从智能手机到电动汽车)成为可能。但是用这种电池中的固体电解质代替传统的液体电解质可能具有显着的优点。这种全固态锂离子电池可以在电池组级别提供更高的储能能力,磅数为磅。它们实际上也可以消除微小的,手指状金属突起的风险,这种突起称为树突,可以通过电解质层生长并导致短路。

Van Vliet表示:“部件全部牢固的电池对性能和安全性来说都是很有吸引力的选择,但仍然存在一些挑战。”在当今市场上占主导地位的锂离子电池中,锂离子在电池充电时通过液体电解质从一个电极流向另一个电极,然后以与使用时相反的方向流过。这些电池非常有效,但“液体电解质往往是化学不稳定的,甚至可能是易燃的,”她说。 “所以如果电解质是固体的,它可能会更安全,更小,更轻。”

但是,关于使用这种全固体电池的一个大问题是电极材料中可能发生的多种机械应力,因为电极反复充电和放电。随着锂离子进入和离开其晶体结构,这种循环导致电极膨胀并收缩。在坚硬的电解质中,这些尺寸变化会导致高应力。如果电解质也很脆弱,那么尺寸的不断变化会导致裂纹,从而迅速降低电池性能,甚至可能提供损坏树枝状结构的通道,就像在液体电解质电池中那样。但如果材料抗断裂,那么这些应力可以适应而不会快速开裂。

然而到目前为止,硫化物对普通实验室空气的极端敏感度对测量机械性能,包括断裂韧性提出了挑战。为了避免这个问题,研究小组的成员在矿物油浴中进行了机械测试,以保护样品免受与空气或湿气的任何化学反应。使用该技术,他们能够获得锂导电硫化物的机械性能的详细测量结果,其被认为是全固态电池中电解质的有希望的候选者。

“有很多不同的固体电解质候选者,”McGrogan说。其他小组已经研究了锂离子传导氧化物的机械性能,但迄今为止对硫化物的研究甚少,尽管由于它们能够容易且快速地传导锂离子,这些特别有前途。

以前的研究人员使用声学测量技术,通过材料传播声波来探测其力学行为,但该方法不能量化抗断裂能力。但是,这项新研究使用尖端探针捅入材料并监测其响应,从而更全面地了解重要性能,包括硬度,断裂韧性和杨氏模量(材料拉伸能力的量度)在施加的压力下可逆)。

Van Vliet说:“研究小组测量了硫化物基固体电解质的弹性性能,但不测定断裂性能。后者对于预测材料在电池应用中是否会破裂或破碎至关重要。

研究人员发现,这种材料具有与傻腻或盐水太妃糖有些相似的特性:当受到压力时,它可以很容易地变形,但是在足够高的压力下,它可以像脆弱的玻璃一样裂开。

Van Vliet说,通过详细了解这些性能,“您可以计算出材料在破裂之前能承受多大的压力”,并根据这些信息设计电池系统。

这种材料比用于电池的材料更易碎,但只要其性能是已知的并且系统相应地设计,它仍然可能具有这种用途,McGrogan说。 “你必须围绕这些知识进行设计。”

“最先进的锂离子电池的循环寿命主要受液体电解质的化学/电化学稳定性以及它如何与电极相互作用的限制,”大学机械工程教授Jeff Sakamoto说。密歇根州,谁没有参与这项工作。 “然而,在固态电池中,机械老化可能会影响稳定性或耐久性。因此,了解固态电解质的机械性能非常重要,“他说。

Sakamoto补充说:“与现有的石墨阳极相比,锂金属阳极的容量显着增加。与[传统的]锂离子技术相比,这可以将能量密度提高约100%。“

研究团队还包括麻省理工学院的研究人员Sean Bishop,Erica Eggleton,Lukas Porz和陈新伟。这项工作得到了美国能源部基础能源科学办公室关于远离平衡界面化学力学的支持。

出版物:Frank P. McGrogan等人,“Li2S-P2S5锂离子导电固体电解质的顺应但脆性的机械性能”,Advanced Energy Materials,2017; DOI:10.1002 / aenm.201602011

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler

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